微生物在地基处理中的应用综述

朱卫国 范一 何志强

杭州未来科技城建设有限公司 浙江 杭州 311100

1 引言：

传统的地基加固技术主要有机械压实和化学灌浆两种。机械压实是利用大型夯实机械进行的，能源损耗大，且易引起土壤扰动使周围空间的土壤受到影响。对于化学灌浆而言，大部分人工合成材料都是有毒的，对自然环境和人体健康构成威胁。因此，有必要开发一种新型的环境友好、经济有效的技术应用于地基处理中，以实现可持续发展。Boquet发现土壤中的一些细菌可以诱导碳酸钙晶体的沉积。这些细菌产生CO2，同时消耗有机物以维持生命活动。然后CO2溶解在水中，在为MICP提供良好条件的环境下生成碳酸盐和碳酸氢盐。近年来，随着生物工程、化学工程、土木工程等学科交叉合作的发展，MICP技术已广泛应用于各种工程应用，如水资源的演变和老旧建筑的修复。此外，这种方法也应用到了地基处理当中。MICP工艺主要有四种方法：尿素水解法、反硝化法、三价铁还原法和硫酸盐还原法。

本文回顾了利用MICP技术进行地基处理的研究进展。系统地介绍了MICP处理技术对土体工程性质的改善，对该技术的工程应用进行了讨论，并对今后的发展提出了一些建议。

2 工程性质的改良：

MICP工程特性研究主要集中在改良土体强度、渗透性和抗液化性等方面。下面对其几种工程性质的改良进行详细描述。

2.1 强度

Fische et al.发现巴氏梭菌可以在砂土中产生更多的碳酸钙晶体，从而加强土颗粒间的结合。方祥位等[3]进行了微生物加固珊瑚砂的试验研究，发现应力-应变曲线整体划分为三个阶段：初始应力随应变缓缓增加、随后应力迅速增加和发生断裂破坏后应力骤降三个阶段，加固砂峰值强度高达14 MPa。Chu et al.利用脲酶产生的微生物改善砂体的强度，处理后的砂体强度显著提高。结果表明，微生物诱导碳酸钙沉淀法可以成功地将松散的砂土粘结成具有一定抗压强度的整体砂土体。

2.2 渗透性

由于土壤颗粒间MICP的存在充填了一部分孔隙，阻碍了土壤中水分的流动，从而降低了土体的孔隙度和渗透率。Whiffin et al.发现，与未处理土壤相比，处理土壤的渗透性与降低了22-75%。利用MICP技术对处理后土壤的渗透性进行的研究主要集中在渗透性较高的砂土上。为了扩大该技术的应用范围，有学者研究了MICP技术处理其他种类土对效果的影响。例如，贾强等刺激土壤微生物通过土壤产生新的化合物，并在马铃薯液体灌注回填土中降低土壤的渗透性。试验结果表明，粉土和回填土的渗透性分别降低了95和88%。当处理后的土的强度超过一定值时，其渗透性会显著降低。这是由于碳酸钙晶体通常产生在微生物诱导沉积区，其主要位于土壤颗粒最近的接触点之间，导致MICP处理土体的强度增加和渗透性下降。此外，采用MICP技术处理后的土体渗透性不均匀，土壤离细菌和营养液注入口越近，土壤渗透性的降低越大。

2.3 抗液化性

利用MICP技术处理土壤也可以提高土壤的抗液化能力。Montoya et al. 为了评价MICP处理砂土的动力特性和抗液化能力，研究了MICP处理后的砂土的抗液化能力，发现随着胶结程度的增加，其抗液化能力增加。试验结果还表明，在不同的地震荷载作用下，超孔隙水压力和地基沉降均显著降低，从而大大提高了地基的稳定性。Cheng et al. 和程晓辉等对经MICP处理的砂柱进行动力三轴试验，研究其在地震荷载作用下的液化抗力。实验结果表明，与桩挡土墙加固方法相比，经MICP处理的地基沉降量小，具有较高的抗液化能力，可以有效地减轻地震的影响。

3 MICP技术的局限性

在大规模现场应用MICP技术的情况下，需要考虑的主要问题是MICP处理土壤的均匀性和耐久性。针对处理后砂中方解石析出分布不均的问题，提出了一些新的注浆方法但也仅限于实验室砂柱试验。

MICP技术的另一个局限性是在处理过程中对环境的保护。除方解石沉淀的形成外，矿化过程中还会产生高浓度的NH4Cl，可能会对地下水造成污染。因此，尽管会增加了注浆过程的复杂性，降低了注浆加固效率，增加注浆加固的成本，但必须想办法将高浓度NH4Cl提取出来。Paassen et al. ]提出利用反硝化细菌矿化作用产生碳酸钙加固土体。由于反硝化的最终产物只是氮，所以它是一种更加环保的方法。此外，相对较低的原料成本也使该领域替代传统脲酶菌成为可能。然而，反硝化细菌生长缓慢，活性较低，还需要更多的努力来证明这种方法的可行性。

4 未来展望

近10年来，地基处理技术得到了迅速发展在防止液化、减少建筑物沉降、抗冲渗等方面具有很大的应用效益。然而，为了拓宽其在地基加固中的应用范围，还需要进一步研究许多问题。

1.微生物技术在土的加固中得到了广泛的应用，但在工程实践中普遍存在土的非均质性问题。土壤加固的均匀性受反应溶液浓度、加药比、灌注过程等因素的影响。目前的解决方案是增加灌注时间，但这成本过高。因此，优化反应物的配比以及不断改善灌注过程需要大量的实验工作。

2．MICP技术仍然局限于相对较小规模的实验室试验。在复杂环境因素的工程应用中，寻找一种简单、高效的土壤微生物营养液将是一个巨大的挑战。马铃薯液、玉米浆液和乳糖母液等廉价营养液已被证明是非常有效的。此外，反硝化细菌反应只产生氮，是一种环保的方法，原料价格相对低廉，具有很大的发展潜力。但是其缓慢的增长将影响实际的工程周期和项目效益，因此岩土工程师需要进一步研究理论和实践的可行性。